Гравитация следует законам Ньютона и Эйнштейна на любых масштабах: доказывает ли это существование темной материи?

Наблюдая за космосом, современные астрономы сталкиваются с серьезной физической проблемой. Эта проблема касается того, как движутся звезды внутри галактик и как сами галактики перемещаются внутри огромных звездных скоплений. Движение этих объектов противоречит тому, что мы знаем о силе тяжести из классической физики.

Достаточно посмотреть на нашу Солнечную систему. Согласно закону всемирного тяготения Исаака Ньютона, чем дальше планета находится от Солнца, тем слабее на нее действует гравитация, и тем медленнее она движется по своей орбите. Меркурий, расположенный ближе всего к нашей звезде, мчится с огромной скоростью. Плутон, находящийся на задворках Солнечной системы, движется очень медленно. Логика не теряется.

Однако когда астрофизики начали измерять скорости вращения спиральных галактик, они увидели совершенно иную картину. Развивая логику, следовало ожидать, что звезды на окраинах галактического диска будут вращаться вокруг центра медленнее, чем звезды, расположенные близко к ядру. Вместо этого оказалось, что внешние края галактик вращаются с огромной, даже аномальной скоростью. Более того, скорости движения целых галактик внутри крупных космических скоплений также оказались слишком высокими.

Если опираться на массу видимого вещества — всех звезд, планет, газа и пыли, которые мы можем зафиксировать через телескопы, — силы гравитации в этих галактиках должно быть совершенно недостаточно для удержания объектов вместе. При таких скоростях центробежная сила должна была бы преодолеть силу тяжести. Галактики должны были бы разорваться на части, а звезды — разлететься в пустом пространстве. Но этого не происходит. Галактики сохраняют свою структуру миллиарды лет.

Выбор между двумя неизвестными

Это несоответствие между расчетной массой и реальной скоростью движения создало кризис в космологии. Ученым, включая команду Патрисио Гальярдо из Пенсильванского университета, пришлось признать, что перед ними стоят два возможных, но одинаково сложных пути решения.

Первый вариант предполагал, что законы физики верны, но мы видим далеко не всю материю во Вселенной. Чтобы математика сошлась, необходимо присутствие колоссального объема дополнительной массы, которая обеспечивает нужное гравитационное притяжение и удерживает галактики от распада. Эту гипотетическую массу назвали «темной материей», поскольку она не испускает, не отражает и не поглощает свет, оставаясь невидимой для всех наших приборов.

Второй вариант был еще более радикальным. Он предполагал, что видимой материи достаточно, но сами законы гравитации, сформулированные Ньютоном и дополненные Альбертом Эйнштейном, ошибочны при применении их к огромным космическим масштабам. Из этого предположения выросла концепция «модифицированной ньютоновской динамики» (MOND) и другие аналогичные теории. Их сторонники утверждали: возможно, на расстояниях в миллионы световых лет сила тяжести не ослабевает так быстро, как внутри Солнечной системы. Если гравитация работает иначе на больших дистанциях, то необходимость в темной материи полностью отпадает.

Чтобы выяснить, какая из этих двух концепций описывает реальное устройство мира, физикам требовалось провести прямое измерение силы гравитации между объектами, находящимися на противоположных концах Вселенной.

Измерение гравитации с помощью древнего света

Проверить силу тяжести на межгалактических расстояниях напрямую невозможно — мы не можем отправить туда датчики или зонды. Поэтому исследователи решили использовать естественный физический процесс: искривление света под воздействием гравитации.

Команда Гальярдо обратилась к данным Космологического телескопа Атакамы (ACT) — огромного радиоастрономического комплекса, установленного в горах Чили. В качестве инструмента для измерений ученые использовали реликтовое микроволновое излучение. Это самый древний свет во Вселенной. Он образовался примерно через 380 000 лет после Большого взрыва, когда космос остыл достаточно, чтобы свет смог свободно распространяться в пространстве. Этот свет путешествует сквозь Вселенную уже более 13 миллиардов лет.

В процессе своего пути к Земле реликтовое излучение проходит через гигантские скопления галактик. Каждое такое скопление обладает огромной массой и, следовательно, мощным гравитационным полем. Согласно Общей теории относительности Эйнштейна, гравитация искривляет само пространство. Когда древний свет пролетает сквозь это искривленное пространство, его первоначальный путь слегка изменяется.

Анализируя микроскопические изменения в этом свете, астрофизики могут точно определить силу гравитации, которая воздействовала на излучение. Команда проанализировала сотни тысяч галактических скоплений, разделенных расстояниями в десятки и сотни миллионов световых лет. Они измерили, как именно эти колоссальные структуры притягивают друг друга и как их движение искажает проходящий сквозь них фоновый свет.

Закон Ньютона работает без сбоев

Если бы теории модифицированной гравитации были верны, исследователи увидели бы четкие отклонения в данных. Падение силы тяжести на огромных расстояниях должно было бы происходить по другим математическим правилам, нежели на Земле.

Однако данные, опубликованные в научном журнале Physical Review Letters, показали, что гравитация на межгалактических расстояниях ведет себя ровно так, как предписывает классическая физика.

Исследователи подтвердили, что сила гравитационного притяжения слабеет в точной пропорции к квадрату расстояния между объектами. Если вы увеличиваете расстояние между двумя телами в два раза, сила их взаимного притяжения падает в четыре раза. Если расстояние увеличивается в три раза — сила падает в девять раз. Это правило, названное законом обратных квадратов, Исаак Ньютон вывел еще в XVII веке. Теперь ученые доказали, что оно абсолютно справедливо не только для планет вокруг Солнца, но и для объектов, размер которых превышает человеческое воображение. Законы гравитации универсальны и не меняются в зависимости от масштаба.

Доказательство невидимого

Поскольку законы Ньютона и Эйнштейна оказались верны на любых расстояниях, попытки объяснить высокую скорость вращения галактик ошибкой в формулах потеряли смысл. Теории модифицированной гравитации были опровергнуты экспериментальными данными.

Следовательно, физике остается только один рабочий сценарий. Если гравитация работает предсказуемо, а видимой массы звезд и газа физически недостаточно для удержания быстро вращающихся галактик вместе, значит, недостающая масса обязана существовать в реальности.

Исследование команды Патрисио Гальярдо говорит, что темная материя может быть реальным, физически существующим компонентом Вселенной, масса которого создает необходимое гравитационное притяжение. Следующим шагом для науки становится определение природы самой темной материи — выяснение того, из каких именно неизвестных частиц состоит большая часть массы в нашем мире.

Источник: Physical Review Letters